2205雙相不銹鋼冶煉過程全氧及夾雜物分析
時間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
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2205雙相不銹鋼約占雙相鋼總產量的80%左右，由于其雙相組織的特點而具有較高的強度、較好的焊接性能和抗腐蝕性能，廣泛應用于船舶、石油、化工和建筑等領域。2205雙相不銹鋼好的冶金質量是保證其力學性能和表面質量的前提。據報道，夾雜物是2205熱軋生產過程中邊裂缺陷產生的一個重要的影響因素，因此通過分析研究2205雙相不銹鋼冶煉過程全氧含量和夾雜物，找出鋼水中全氧含量的變化規律及夾雜物的產生原因，對于合理控制鋼中的全氧含量和夾雜物、提高2205雙相不銹鋼的冶金質量及使用性能，具有十分重要的意義。
1、冶煉條件和研究方法
2205雙相不銹鋼冶煉以合金和廢鋼為原料，在電爐經過融化處理后，直接兌入AOD爐進行冶煉。AOD轉爐采用FeSi合金進行還原操作，AOD脫硫階段加入鋁塊和石灰來脫硫。AOD工序處理完畢后，到LF爐進行精煉。由于2205雙相不銹鋼合金量大，鋼水中溶解氧含量高，因此在LF精煉過程中喂鋁線進行深脫氧，然后加入硅鈣線進行鈣處理。LF精煉過程加入一定量的CaO和CaF2造渣，精煉渣二元堿度控制在2.3～2.5左右；底吹氬氣量控制在0.15～0.20 m3/min之間，當成分和溫度達到要求后，將鋼液運至連鑄平臺進行澆鑄。本次試驗，2205雙相不銹鋼的化學成分見表1所示。
表1 2205雙相不銹鋼化學成分%
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C
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Si
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Mn
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P
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S
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Ni
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Cr
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Mo
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N
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≤0.02
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0.4～0.5
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1.1～1.3
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≤0.03
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≤0.001
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5.1～5.3
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22.2～22.4
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3.0～3.1
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0.16～0.17
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對1個澆次的連續2爐鋼進行工業實驗，本次試驗在AOD還原后、AOD脫硫后、LF精煉末期以及中包澆鑄末期進行取樣，在每個工位取球拍樣。所取球拍樣用來進行夾雜物觀察和全氧含量檢測，用掃描電鏡觀察夾雜物形貌，用電子探針確定夾雜物成分。同時在AOD還原后、AOD脫硫后、LF精煉末期取渣樣，通過渣樣結果分析各個工序夾雜物的成因。
2、結果及分析
2.1 冶煉過程全氧含量的變化
通常，鋼的總氧含量反映了鋼中總體氧化物潔凈度水平?？傃鹾康?，表明鋼中氧化物夾雜較少，潔凈度較高。在AOD-LF-CCM過程，全氧含量的變化如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著AOD冶煉、LF精煉和連鑄過程的進行，鋼水中全氧含量呈逐漸減小的趨勢。2205雙相不銹鋼在AOD的冶煉過程中有相當數量的鉻被氧化進入爐渣。因此AOD還原階段采用硅鐵進行還原操作，目的是還原渣中被氧化的鉻以及降低鋼水中的氧含量，還原后鋼水的全氧含量降低到182 ppm；AOD脫硫階段通過加入鋁塊和石灰來脫硫。鋁塊的加入使鋼水中全氧含量又有所降低，為97 ppm；LF精煉過程中喂鋁線進行深脫氧，然后加入硅鈣線進行鈣處理；隨著吹氬攪拌的進行，鋼水中的大型夾雜物不斷上浮被爐渣吸附，小型夾雜物不斷碰撞、長大、上浮，被爐渣吸附，鋼水中全氧含量降低明顯，到LF精煉末期為36 ppm；到連鑄中包，中包覆蓋劑也起到吸附夾雜物的作用，全氧含量有少量下降，到中包澆鑄末期為32 ppm。
2.2 冶煉過程夾雜物尺寸和數量的變化
隨著AOD冶煉、LF精煉和連鑄過程的進行，夾雜物尺寸和數量的變化如圖2所示。從圖中看出，隨著冶煉過程的進行，鋼水中夾雜物總數和尺寸都是不斷減小的。AOD還原后和脫硫后，鋼水中存在大于50 μm的夾雜物，這說明LF精煉處理對去除較大顆粒夾雜物是十分有利的。到連鑄中包澆鑄末期鋼水中夾雜物數量進一步減少，尺寸都小于20 μm。
2.3 冶煉過程夾雜物的類型
根據AOD還原后、AOD脫硫后、LF精煉末期和連鑄中間包澆鑄末期取樣，分析試樣中典型夾雜物形貌和類型可以得出，AOD還原后和脫硫后這兩個階段的夾雜物類型主要為CaO-SiO2-Al2O3-MgO，LF精煉末期和連鑄中包澆鑄末期夾雜物類型主要為CaO -Al2O3-MgO-SiO2。
2.4 冶煉過程不同工序夾雜物成因分析
圖3為AOD-LF冶煉過程夾雜物成分變化（質量分數）。從圖中看出，AOD還原后和AOD脫硫后鋼水中的夾雜物類型為CaO-SiO2-Al2O3，而且顆粒較大、成分趨近于爐渣成分，并含有一定量的MgO。這些現象出現在強烈攪拌的AOD還原和脫硫期，很可能與卷渣現象有關。從圖3（c）可以看出，LF精煉后鋼水中的夾雜物成分和LF精煉過程中的爐渣成分完全不同。跟AOD處理過程相比，LF精煉后夾雜物成分中Al2O3和MgO含量明顯上升，夾雜物的類型變化為CaO-Al2O3-MgO-SiO2，分析跟LF精煉階段鋁深脫氧和鈣處理工藝有關。LF精煉過程中喂入鋁線后，Al和鋼水中的溶解O形成Al2O3夾雜物，Al2O3夾雜物和MgO很容易形成Al2O3-MgO尖晶石類夾雜物，夾雜物尺寸較小。隨著鈣處理的進行，鋼水會發生以下反映：
y（MgO－Al2O3）＋（x＝（xCaO－yAl2O3）＋y （1）
＋＝（MgO） （2）
＋＝（SiO2） （3）
因此LF精煉末期，鋼水中夾雜物的類型為CaO-Al2O3-MgO-SiO2。到連鑄中包后，上述反應繼續進行。隨著置換反應的不斷進行，內部MgO-Al2O3越來越小，外面的xCaO-yAl2O3變的越來越厚。由于液態相（xCaO-yAl2O3）低的表面張力夾雜物就會變成球形。在更高的倍數下觀察連鑄中包澆鑄末期典型夾雜物形貌，可以看出連鑄中包澆鑄末期的夾雜物由兩層組成，外層為CaO-Al2O3-SiO2，內部為Al2O3-MgO。
從以上分析得出，2205雙相不銹鋼冶煉過程中不同工序的夾雜物成因主要有兩個方面：（1）強烈攪拌的AOD還原和脫硫期，鋼水中的夾雜物與卷渣現象有關，這些夾雜物尺寸較大；（2）LF精煉階段產生的內生夾雜物，這些夾雜物尺寸較小。因此可以采取有效措施，控制鋼水中夾雜物的危害。
?。?）增加LF弱吹時間，保證鋼水中的大型夾雜物不斷上浮被爐渣吸附，小型夾雜物不斷碰撞、長大、上浮，被爐渣吸附。
?。?）增加LF爐喂入鋼水中的硅鈣線數量，使MgO-Al2O3夾雜物完全變性。
3、結論
（1）隨著AOD冶煉、LF精煉和連鑄過程的進行，2205雙相不銹鋼鋼水中全氧含量呈逐漸減小的趨勢，到中包澆鑄末期為32 ppm。
?。?）隨著冶煉過程的進行，鋼水中夾雜物總數和尺寸都是不斷減小的。AOD還原后和脫硫后，鋼水中存在大于50 μm的夾雜物，夾雜物數量也較多；LF精煉末期，鋼水中夾雜物以小于50 μm的夾雜物為主；到連鑄中包澆鑄末期鋼水中夾雜物數量進一步減少，尺寸都小于20 μm。
?。?）AOD還原后和AOD脫硫后鋼水中的夾雜物類型為CaO-SiO2-Al2O3-MgO，跟爐渣成分基本一致；隨著LF精煉過程的進行，夾雜物的類型變化為CaO-Al2O3-MgO-SiO2，與鋁脫氧和鈣處理工藝有關；連鑄中包澆鑄末期的夾雜物有兩層組成，外層為CaO-Al2O3- SiO2，內部為Al2O3-MgO。